CC BY
0
УДК 616-092.9
Бондарев О.И.
Док. мед. наук, доцент «НИИ КПГПЗ», Новокузнецк;
НГИУВ ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Новокузнецк;
Азаров П.А.
К.м.н., ассистент кафедры патанатомии НГИУВ ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Новокузнецк;
Сурков А.М.
ассистент кафедры патанатомии НГИУВ ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Новокузнецк;
Уланова Е.В.
К. б. н. старший научный сотрудник лаборатории патоморфологии производственно обусловленных заболеваний «НИИ КПГПЗ», Новокузнецк;
МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСУДОВ СЕРДЦА И ЛЕГКИХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УГОЛЬНО-ПОРОДНОЙ ПЫЛИ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И КЛИНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Аннотация
Исследование посвящено изучению морфофункциональных изменений сосудов сердца и легких при воздействии угольно-породной пыли (УПП) у шахтеров и в эксперименте на животных. Выявлены прогрессирующие изменения в сосудистой стенке, коррелирующие со стажем работы и длительностью воздействия УПП. Установлен системный характер поражения сосудов, включая развитие эндотелиальной дисфункции и периваскулярного фиброза. Результаты обосновывают необходимость комплексного подхода к профилактике и ранней диагностике сосудистых нарушений у работников угольной промышленности.
Ключевые слова:
пневмокониоз, патология эндотелия, угольно-породная пыль, ремоделирование сосудов, периваскулярный фиброз, профессиональная патология.
Bondarev O.I.
Doctor of Medical Sciences, Associate Professor "Research Institute of Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases", Novokuznetsk; Novokuznetsk State Institute for Advanced Medical Training, Branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Further Professional Education "Russian Medical Academy of Continuous Professional Education", Novokuznetsk;
Azarov P.A.
Candidate of Medical Sciences, Assistant Professor of the Department of Pathological Anatomy Novokuznetsk State Institute for Advanced Medical Training, Branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Further Professional Education "Russian Medical Academy of Continuous Professional Education", Novokuznetsk;
Surkov A.M.
Assistant of the Department of Pathological Anatomy Novokuznetsk State Institute for Advanced Medical Training, Branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Further Professional Education "Russian Medical Academy of Continuous Professional Education", Novokuznetsk;
Ulanova E.V.
Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher Laboratory of Pathomorphology of Occupational Diseases "Research Institute of Complex Problems of Hygiene and
Occupational Diseases", Novokuznetsk;
MORPHOFUNCTIONAL CHANGES IN HEART AND LUNG VESSELS UNDER THE INFLUENCE OF COAL-ROCK DUST: EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDY
Abstract
The study investigates morphofunctional changes in heart and lung vessels under the influence of coal-rock dust (CRD) in miners and in animal experiments. Progressive changes in the vascular wall, correlating with work experience and duration of CRD exposure, were revealed. A systemic nature of vascular damage was established, including the development of endothelial dysfunction and perivascular fibrosis. The results justify the need for a comprehensive approach to prevention and early diagnosis of vascular disorders in coal industry workers.
Keywords:
pneumoconiosis, endothelial pathology, coal-rock dust, vascular remodeling, perivascular fibrosis, occupational pathology.
Профессиональные заболевания работников угольной промышленности представляют собой серьезную медико-социальную проблему во многих странах мира. По данным Международной организации труда (МОТ), ежегодно регистрируется около 2,3 миллиона случаев профессиональных заболеваний, связанных с воздействием вредных производственных факторов [1]. Среди них особое
место занимают заболевания органов дыхания и сердечно-сосудистой системы у шахтеров, обусловленные длительным воздействием угольно-породной пыли (УПП) [2].
Пневмокониоз, вызванный вдыханием УПП, является не только локальным заболеванием легких, но и оказывает системное воздействие на организм, в том числе на сердечно-сосудистую систему. Исследования последних лет показывают, что у работников угольной промышленности наблюдается повышенный риск развития ишемической болезни сердца, гипертонии и других сердечно-сосудистых патологий [3, 4, 5].
В основе патогенеза сосудистых нарушений при воздействии УПП лежит эндотелиальная дисфункция, которая в последние годы привлекает все большее внимание исследователей. Эндотелий, ранее считавшийся простым барьером между кровью и тканями, теперь признан ключевым регулятором сосудистого гомеостаза [6,7]. Нарушение функции эндотелия рассматривается как пусковой механизм развития многих патологических изменений, включая атеросклероз, гипертонию и тромбоз.
В последние годы значительное внимание уделяется изменениям эндотелиального слоя сосудов, объединенным термином "эндотелиоз". Эндотелий, ранее считавшийся простым барьером между кровью и тканями, теперь признан ключевым регулятором сосудистого гомеостаза.
Современные исследования показывают, что эндотелиальная дисфункция характеризуется снижением биодоступности оксида азота (NO), повышенной продукцией активных форм кислорода, нарушением баланса про- и антикоагулянтных факторов, а также усилением экспрессии молекул адгезии. По данным Rajendran et al. (2013), эндотелиальная дисфункция является ранним маркером атеросклероза и предиктором сердечно-сосудистых событий [8,9].
Профессиональные факторы, особенно в угольной промышленности, могут значительно усугублять риск развития сосудистых патологий. Исследования Han et al. (2015) показали, что воздействие угольной пыли связано с повышенным риском развития ишемической болезни сердца и инсульта у шахтеров [10]. Механизмы повреждения эндотелия при пневмокониозе включают прямое воздействие пылевых частиц на эндотелий легочных капилляров, системное воспаление, оксидативный стресс и гипоксию.
Согласно работе Schins and Borm (1999), частицы угольной пыли способны индуцировать окислительный стресс и воспаление в легочной ткани, что приводит к системным эффектам, включая повреждение эндотелия сосудов. Miller et al. (2012) продемонстрировали, что наночастицы угольной пыли могут проникать через альвеолярно-капиллярный барьер и непосредственно воздействовать на эндотелиальные клетки системного кровотока [11,12].
Исследования Subramaniam et al. (2016) выявили, что хроническое воздействие угольной пыли приводит к активации NF-kB сигнального пути в эндотелиальных клетках, что способствует усилению экспрессии провоспалительных цитокинов и молекул адгезии. Это, в свою очередь, может приводить к повышенному риску развития атеросклероза и тромбоза [13].
Научные данные некоторых авторов показали, что воздействие угольной пыли может нарушать функцию митохондрий в эндотелиальных клетках, приводя к снижению продукции ATP и увеличению генерации активных форм кислорода. Это создает порочный круг, усугубляющий эндотелиальную дисфункцию и сосудистое повреждение [14].
Несмотря на растущее понимание механизмов воздействия угольной пыли на сосудистую систему, остается ряд нерешенных вопросов. В частности, недостаточно изучена динамика морфологических изменений сосудов сердца и легких в зависимости от стажа работы шахтеров и длительности воздействия пыли. Также требует дальнейшего исследования взаимосвязь между степенью эндотелиальной дисфункции и риском развития конкретных сердечно-сосудистых патологий у работников угольной промышленности.
Исследование освящает отдельные моменты морфологических изменений стенки сосудов сердца и легких в динамике развития пневмокониотического процесса у шахтеров с различным стажем работы и в
экспериментальной модели на животных при воздействии угольно-породной пыли (УПП). Данное изучение направлено на выявление ранних маркеров сосудистого повреждения и разработку стратегий профилактики и лечения сосудистых осложнений пневмокониоза у шахтеров.
Современные исследования показывают, что эндотелиальная дисфункция характеризуется снижением биодоступности оксида азота (NO), повышенной продукцией активных форм кислорода, нарушением баланса про- и антикоагулянтных факторов, а также усилением экспрессии молекул адгезии. Эндотелий сейчас рассматривается как своего рода эндокринный орган, продуцирующий множество биологически активных веществ, включая вазодилататоры (NO, простациклин), вазоконстрикторы (эндотелин-1, тромбоксан А2), факторы роста (VEGF, FGF), а также регуляторы коагуляции и фибринолиза.
Профессиональные факторы, особенно в угольной промышленности, могут значительно усугублять риск развития сосудистых патологий. Воздействие угольной пыли, физические нагрузки, вибрация и другие факторы производственной среды способны провоцировать повреждение эндотелия. Механизмы повреждения эндотелия при пневмокониозе включают прямое воздействие пылевых частиц на эндотелий легочных капилляров, системное воспаление, вызванное хронической активацией иммунной системы, оксидативный стресс, связанный с генерацией свободных радикалов, а также гипоксию, возникающую вследствие нарушения газообмена в легких.
Цель исследования: изучение морфологических изменений стенки сосудов сердца и легких в динамике развития пневмокониотического процесса у шахтеров с различным стажем работы и в экспериментальной модели на животных при воздействии угольно-породной пыли (УПП).
Материалы и методы: Исследованы 70 случаев судебно-медицинских экспертиз шахтеров (средний возраст 39,3±2,1 лет, стаж работы 0,5-30 лет) и 30 контрольных случаев. Шахтеры были разделены на группы по стажу работы: I группа - 5-9 лет (n=15), II группа - 10-20 лет (n=21), III группа - более 20 лет (n=24). Группа контроля состояла из 25 судебно-медицинских экспертиз погибших при автодорожной катастрофе мужчин в возрасте от 30 лет до 45 лет не имевших грубой органной патологии сосудов и сердечной мышцы.
Экспериментальная модель включала 90 белых лабораторных крыс-самцов (опытная группа) и 45 контрольных животных. Животные опытной группы подвергались ингаляционному воздействию УПП угля марки газово-жирный с размером пылевых частиц до 5 микрон в средней концентрации 50 мг/м3. Запыление проводили 5 раз в неделю по 4 часа в интермиттирующем режиме. Общая продолжительность эксперимента составила 12 недель.
Проводилось гистологическое исследование аутопсийного материала сердца и легких с применением стандартных методов окраски: гематоксилин-эозином, пикрофуксином по Ван Гизону, азаном по Гайденгайну, трехцветной окраской по Массону, окраской по Вейгерту и Гомори. Морфометрический анализ выполнялся с использованием программы Bio Vision 4.0. В сосудах сердца измеряли площадь клеток эндотелиального слоя, толщину стенки сосудов, толщину периваскулярного фиброза. В сосудах легких - толщину эндотелия, гладкомышечного слоя и периваскулярного фиброза. В экспериментальной группе проводилась полуколичественная оценка изменений по балльной системе.
Результаты: У шахтеров с стажем работы 5-9 лет наблюдалась гипертрофия эндотелиальных клеток с увеличением их площади ^энд = 40,59±3,24 мк при контрольном значении 32,17±2,59 мк; p<0,05). Отмечалось выбухание клеток в просвет сосудов с явлениями ядерной дезориентации по отношению к их стенке. Ядра эндотелиоцитов имели различную плотность, контуры кариолеммы были неровные, частично размытые. Наблюдалось увеличение общей толщины стенки сосудов, преимущественно за счет гипертрофии медиальной оболочки. Аналогичные изменения наблюдались у экспериментальных животных после 3-6 недель воздействия УПП.
При стаже работы 10-20 лет и у животных после 6-9 недель воздействия УПП отмечалось дальнейшее увеличение площади эндотелиоцитов во всех калибрах сосудов. В патологический процесс
были вовлечены также мышечные волокна средней оболочки, наблюдалось изменение их гистоструктуры в виде патологической извитости, фрагментации, очагового миолиза. Характерно поражение наружного слоя сосудистой стенки в виде прогрессирующего отека с просветлением и дискомплексацией цитоплазмы. В различных слоях сосудов появлялась очаговая лимфогистиоцитарная инфильтрация.
У шахтеров со стажем более 20 лет и у животных после 12 недель воздействия УПП наблюдались значительные изменения во всех слоях сосудистой стенки. Развитие периваскулярного фиброза отмечалось во всех исследуемых группах, но было наиболее выражено у стажированных шахтеров (толщина фиброза у сосудов d>200 мк - 57,53±3,85 мк при контрольном показателе 14,33±1,3 мк; р<0,05) и у животных после 12 недели пылевого воздействия, где размеры фиброза значительно превосходили толщину стенки сосудов.
Изменения в сосудах легких у шахтеров были аналогичны изменениям в сосудах сердца, что указывает на системный характер воздействия УПП на сосудистую систему. Наблюдалась полная корреляция линейных размеров в зависимости от диаметра сосудов.
Обсуждение: Результаты исследования демонстрируют прогрессирующий характер морфологических изменений в сосудах сердца и легких при воздействии УПП. Начальные изменения, характеризующиеся гипертрофией эндотелиальных клеток, могут рассматриваться как компенсаторная реакция на повышенную пылевую нагрузку. Однако с увеличением стажа работы и длительности воздействия УПП эти изменения приобретают патологический характер, затрагивая все слои сосудистой стенки.
Особого внимания заслуживает развитие периваскулярного фиброза, который становится выраженным у стажированных шахтеров и экспериментальных животных после длительного воздействия УПП. Это может свидетельствовать о хроническом воспалительном процессе и нарушении тканевого гомеостаза в периваскулярном пространстве.
Системный характер изменений, затрагивающий как сосуды сердца, так и легких, указывает на то, что воздействие УПП не ограничивается только органом-мишенью (легкими), но приводит к генерализованному поражению сосудистой системы. Это может объяснять повышенный риск сердечнососудистых заболеваний у работников угольной промышленности.
Экспериментальная модель на животных показала высокую степень соответствия морфологическим изменениям, наблюдаемым у шахтеров, что подтверждает ее валидность для изучения механизмов развития пневмокониоза и связанных с ним сосудистых нарушений.
Наши исследования демонстрируют комплексный характер сосудистых нарушений при воздействии УПП и может послужить фундаментом для создания новых методов ранней диагностики, профилактики и лечения профессиональных заболеваний у работников угольной промышленности, открывая новые горизонты для разработки целевых терапевтических подходов и профилактических мер в отношении сердечно-сосудистых осложнений у шахтеров.
Полученные результаты демонстрируют системный характер сосудистых нарушений при воздействии УПП и может служить основой для разработки новых подходов к ранней диагностике и профилактике профессиональных заболеваний у работников угольной промышленности. Понимание механизмов развития эндотелиальной дисфункции и сосудистого ремоделирования при пневмокониозе открывает перспективы для разработки таргетных методов терапии и профилактики сердечно-сосудистых осложнений у шахтеров.
Выводы:
1. Воздействие УПП вызывает прогрессирующие морфологические изменения в сосудах сердца и легких, коррелирующие со стажем работы шахтеров и длительностью экспозиции в эксперименте, начиная с адаптивной гипертрофии эндотелия и заканчивая комплексными патологическими изменениями во всех слоях сосудистой стенки, включая выраженный периваскулярный фиброз.
2. Установлен системный характер воздействия УПП на сосудистую систему, что подтверждается сходными изменениями в сосудах сердца и легких, и выявлена значимая корреляция между выраженностью морфологических изменений и продолжительностью воздействия УПП.
3. Достоверность и применимость экспериментальной модели воздействия УПП на животных подтверждена соответствием наблюдаемых изменений патологическим процессам у шахтеров, что делает ее ценным инструментом для изучения механизмов развития пневмокониоза.
4. Результаты исследования обосновывают необходимость разработки комплексного подхода к профилактике и ранней диагностике сосудистых нарушений у работников угольной промышленности с учетом системного воздействия УПП.
5. Полученные данные создают основу для разработки инновационных терапевтических стратегий, направленных на защиту эндотелия и предотвращение патологического ремоделирования сосудов при профессиональных заболеваниях, связанных с воздействием УПП.
Список использованной литературы:
1. Takala, J., Hamalainen, P., Saarela, K. L., Yun, L. Y., Manickam, K., Jin, T. W., ... & Lin, G. S. (2014). Global estimates of the burden of injury and illness at work in 2012. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 11(5), 326-337.
2. Perret, J. L., Plush, B., Lachapelle, P., Hinks, T. S., Walter, C., Clarke, P., & Dharmage, S. C. (2017). Coal mine dust lung disease in the modern era. Respirology, 22(4), 662-670.
3. Liu, Y., Rong, Y., Steenland, K., Christiani, D. C., Huang, X., Wu, T., & Chen, W. (2017). Long-term exposure to crystalline silica and risk of heart disease mortality. Epidemiology, 28(6), 894-902.
4. Han, L., Han, R., Ji, X., Wang, T., Yang, J., Yuan, J., ... & Chen, W. (2015). Prevalence characteristics of coal workers' pneumoconiosis (CWP) in a state-owned mine in Eastern China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 12(7), 7856-7867.
5. Бондарев О.И., Майбородин И.В., Лапий Г.А Пневмокониоз как системный процесс в легочном гистионе // Медицина в Кузбассе. -2021. -Том. 20 № 1. С. 31-38.
6. Rajendran, P., Rengarajan, T., Thangavel, J., Nishigaki, Y., Sakthisekaran, D., Sethi, G., & Nishigaki, I. (2013). The vascular endothelium and human diseases. International Journal of Biological Sciences, 9(10), 1057-1069.
7. Бугаева М.С., Бондарев О.И., Казицкая А.С. Угольно-породная пыль как фактор риска развития морфологических изменений сосудистой стенки //Сборник статей LIII Международной научно-практической конференции «Advances in Science and Technology», 15 июня 2023 года.
8. World Health Organization. (2020). Cardiovascular diseases (CVDs). Retrieved from https: // www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/cardiovascular-diseases-(cvds).
9. Rajendran, P., Rengarajan, T., Thangavel, J., Nishigaki, Y., Sakthisekaran, D., Sethi, G., & Nishigaki, I. (2013). The vascular endothelium and human diseases. International Journal of Biological Sciences, 9(10), 1057-1069.
10. Han, L., Han, R., Ji, X., Wang, T., Yang, J., Yuan, J., & Chen, W. (2015). Prevalence characteristics of coal workers' pneumoconiosis (CWP) in a state-owned mine in Eastern China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 12(7), 7856-7867.
11. Schins, R. P., & Borm, P. J. (1999). Mechanisms and mediators in coal dust induced toxicity: a review. Annals of Occupational Hygiene, 43(1), 7-33.
12. Miller, M. R., Shaw, C. A., & Langrish, J. P. (2012). From particles to patients: oxidative stress and the cardiovascular effects of air pollution. Future Cardiology, 8(4), 577-602.
13. Subramaniam, S., Baskaran, R., Dhakshinamoorthy, S., & Thapa, P. (2016). Nanoparticle-mediated signaling cascade of inflammatory markers and their mitigation by antioxidants. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2016, 5720574.
14. Liang, S., Zhao, T., Hu, H., Shi, Y., Xu, Q., Miller, M. R., ... & Sun, J. (2019). Repeat dose exposure of PM2.5 triggers the disseminated intravascular coagulation (DIC) in SD rats. Science of The Total Environment, 663, 245-253.
© Бондарев О.И., Азаров П.А., Сурков А.М., Уланова Е.В., 2024
